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基于非能动系统功能可靠性的火箭发动机预冷系统设计参数优化

作　者: 刘昊
导　师: 陈吉安
学　校: 上海交通大学
专　业: 飞行器设计
关键词: 设计参数范围优化 自然循环预冷系统 间歇泉不稳定 可靠性
分类号: V434.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


某液体火箭发动机预冷系统采用自然循环方式预冷,由于运行和实验数据的缺乏而导致对自然循环预冷系统存在认识的局限性,有必要对自然循环预冷的冷却方式,瞬态流动,传热行为等系统特性进行分析与评价,从而为系统设计提供帮助。由于非能动系统对环境条件参数的依赖比能动系统更敏感,有必要结合对自然循环预冷系统特性分析,借鉴基于非能动系统功能可靠性的优化方法,对系统的设计参数取值范围进行优化,在可靠性保证的前提下,获得更好的功能特性。为此,本文基于系统的数值模拟计算工具和方法,对该液体火箭发动机自然循环预冷系统中两相自然循环系统行为进行分析,并对设计参数取值范围进行了优化。首先对循环预冷系统的结构组成和其中的基本物理过程做了描述,并对发动机内部流道结构进行了合理的简化,建立了循环预冷回路计算模型和数值方法,给出了系统分析边界条件,为后面章节中的系统特性分析工作和可靠性分析工作做好准备。对自然循环预冷系统中可能出现的不稳定现象作了简单的介绍,考虑到间歇泉现象是低温储运系统中较为典型的流动不稳定现象,对储运系统造成的危害也较大,有必要对其特性进行研究。通过数值模拟间歇泉现象分析了其流动特性,并对相关参数效应进行了细致的分析,给出了在一定状况下,间歇泉发生的边界,为系统设计时避免间歇泉的发生提供了依据。基于层次分析法(AHP)选取预冷系统关键设计参数,根据工程实际确定出所选设计参数的取值范围及其概率分布,给出循环预冷的功能可靠性准则。采用拉丁超立方抽样方法(LHS)在各参数的工程设计取值范围内进行抽样,以抽样结果作为数值计算程序的输入参数进行不确定性传递计算。对计算结果进行敏感性分析和可靠性准则验证,所有工况均通过关键可靠性准则的验证,为了完成对设计参数取值范围的优化引出了较优工况的概念。基于较优工况比例密度分布函数对系统设计参数的取值范围进行了优化,之后在优化得到的参数取值范围内进行了小样本抽样,得到10个工况后进行模拟计算。将其小样本抽样的模拟计算结果与之前大范围抽样的结果进行比较,比较表明优化过的参数取值范围可以保证较优的系统功能特性。

全文目录


摘要  3-5
ABSTRACT  5-10
第一章 绪论  10-14
  1.1 研究背景与问题的提出  10-11
  1.2 相关研究简介  11-12
  1.3 本文的工作与内容安排  12-14
第二章 自然循环预冷系统与建模  14-26
  2.1 火箭发动机预冷系统的描述  14-17
    2.1.1 循环预冷方式  14-16
    2.1.2 循环预冷中的基本物理过程  16-17
  2.2 预冷系统的数值模型和数值方法  17-21
    2.2.1 数理模型1（两相传输模型）  18-19
    2.2.2 数理模型2（引射模型）  19-21
    2.2.3 数值方法  21
  2.3 循环预冷节点划分模型与初始条件  21-25
  2.4 本章小结  25-26
第三章 自然循环预冷系统间歇泉不稳定性  26-36
  3.1 低温推进剂储运中的不稳定现象  26-27
  3.2 预冷系统间歇泉现象分析  27-35
    3.2.1 底端封闭垂直输送管的间歇泉不稳定性  27-31
    3.2.2 自然循环推进剂输送与循环预冷回路的间歇泉不稳定性边界研究  31-35
  3.3 本章小结  35-36
第四章 自然循环预冷系统的参数分析  36-55
  4.1 关键设计参数的确定及其不确定性范围的选取  36-42
    4.1.1 层次分析法  36-38
    4.1.2 关键设计参数的择定  38-42
    4.1.3 输入参数不确定性分布的选取  42
  4.2 功能可靠性准则  42-43
    4.2.1 低壁温准则  42-43
    4.2.2 稳定性准则  43
    4.2.3 空泡份额准则  43
  4.3 抽样工况的确定  43-47
    4.3.1 LHS 抽样方法  43-44
    4.3.2 统计抽样结果  44-47
  4.4 自然循环预冷系统不确定性传递计算  47-49
  4.5 基于可靠性的系统设计参数分析与评价指标的确定  49-54
    4.5.1 参数可靠性指标的敏感性分析  49-51
    4.5.2 系统可靠性评估  51-52
    4.5.3 较优工况的确定  52-54
  4.6 本章小结  54-55
第五章 设计参数取值范围优化  55-62
  5.1 较优工况比例分布函数确定  55-58
  5.2 自然循环预冷系统设计参数范围优化  58-59
  5.3 优化效果检验  59-61
  5.4 本章小结  61-62
第六章 全文总结与展望  62-63
  6.1 全文总结  62
  6.2 工作展望  62-63
参考文献  63-65
致谢  65-66
攻读硕士学位期间已录用的论文  66-68

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中图分类: > 航空、航天 > 航天（宇宙航行） > 推进系统（发动机、推进器） > 液体推进剂火箭发动机 > 构造
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